Escola de Engenharia de Lorena EEL-USP. Alquilação. Prof. MSc. Marcos Villela Barcza

Transcrição

1 Escola de Engenharia de Lorena EEL-USP Alquilação Prof. MSc. Marcos Villela Barcza

2 Processos Unitários Orgânicos PU191 Prof. MSc. Marcos Villela Barcza Alquilação 1- Introdução: Processo de alquilação é definido como introdução de grupos alquil ou aril (-R) por substituição ou adição, em compostos orgânicos. São considerados três tipos de processos, segundo a forma de ligação que se efetua: - O-alquilação: substituição de um hidrogênio em um grupo hidroxi de álcoois ou fenóis; - N-alquilação: substituição de um hidrogênio ligado a um átomo de nitrogênio; - C-alquilação: substituição de um hidrogênio em hidrocarbonetos. A variedade de processos industriais que utilizam reações de alquilação é em grande escala. Industrias de base (intermediários químicos), química fina (farmacêutica e defensivos agrícolas) e indústrias de corantes orgânicos são as que mais empregam estes processos. Entre produtos intermediários N-alquilados, a anilina possui extensas e variadas aplicações. Outros componentes do mesmo tipo, igualmente importantes, são a benzil metil anilina, benzil etil anilina e dietil anilina. Processos de alquilação são importantes, em especial na obtenção de intermediários aromáticos, na produção de fármacos, inseticidas, plastificantes, tintas, perfumes, etc. Na indústria do petróleo obtêm-se primeiro a gasolina por destilação fracionada e posteriormente prepara-se por cracking das frações mais pesadas. Atualmente, grande parte da gasolina que se consome é obtida por procedimentos sintéticos. Neste sentido, o método mais importante de fabricação tem por base a alquilação de olefinas, que se realiza com ajuda de catalisadores metálicos, combinados com moléculas isoparafínicas. A alquilação desempenha papel importante na fabricação de plásticos em geral; a preparação do etil benzeno obtido por um processo de alquilação, empregado na produção do estireno é um exemplo. Na tabela apresentada a seguir exemplifica alguns exemplos de rotas industriais para a obtenção de compostos alquilados.

3 Exemplos de processos de alquilações industriais Reação Descrição do processo Alquilação de benzeno Benzeno + Etileno Etilbenzeno a) Fase líquida; o C; 1 atm; AlCl 3, Zeólitas; b) Fase vapor; o C; atm; Al 2O 3.SiO 2, H 3PO 4-SiO 2, BF 3-SiO 2. Benzeno + Propeno Cumeno Fase líquida; o C; atm; H 3PO 4, Al 2O 3, H 2SO 4. Benzeno + Propeno Fase líquida; o C; 1 atm; Al 2O 3-SiO 2,. diisopropilbenzeno Benzeno + Olefinas (C 10-C 18) Fase liquida; C, 1 atm, HF, H 2 SO 4, AlCl 3. Alquilbenzeno Alquilação de fenol Fenol + Olefinas (C 6 C 20) a) Fase liquida; C; 1 20 atm; BF 3, Alquilfenol H 2 SO 4, H 3 PO 4. b) Fase vapor; C;1 30 atm; BF 3, H 3 PO 4, Al 2 O 3-SiO 2. Fenol + metanol o-cresol Fase liquida; C; atm; Al 2 O 3- Fenol + Cetona Bisfenol A SiO 2 ; ZnBr 2 HBr Fase líquida; 50 C; H 2 SO 4, HCl. N-alquilação Amônia + Metanol Metilaminas Fase vapor; C; Al 2 O 3/SiO 2, H 3 PO 4. O-Alquilação Metanol + Isobuteno Metil terc-butil Fase vapor; o C; Resina trocadora de íon éter ácida. 2- Agentes de alquilação: Olefinas e haletos de alquila são os agentes mais utilizados em processos industriais de alquilação. As principais olefinas são etileno, propeno, dodeceno (tetrapropeno), e olefinas lineares entre C10 e C20. Haletos de alquila, principalmente derivados de cloro e bromo, como cloro e bromo metil, etil, isopropil, terc-butil e benzil, entre outros são os mais utilizados. Álcoois, éteres, ésteres orgânicos e inorgânicos, epóxidos, aldeídos e cetonas também são agentes utilizados em alquilações. Agentes de alquilação que vêm adquirindo grande importância na industria são os sulfatos de alquila. Sulfatos de dimetila e dietila, etil p-tolueno sulfonato são os mais utilizados. Em alguns processos, os rendimentos com sulfatos de alquila são maiores que os álcoois ou haletos. Utilizados em sínteses que necessitam de várias alquilações (polialquilação). Geralmente são mais caros, com exceção dos sulfatos de dimetila e dietila, porém são tóxicos. 3- Tipos de alquilação: Os tipos diferentes de alquilação diferenciam-se essencialmente do ponto de vista estrutural. A união de um grupo alquila a um átomo de carbono, oxigênio ou nitrogênio pode efetuar-se, na maioria dos processos, com um mesmo agente. Naturalmente haverá variações nas condições das aplicações destes agentes para obtenção de produtos distintos.

4 3.1- Ligação de um grupo alquila a um oxigênio: Normalmente ocorre a substituição de um hidrogênio por um grupo alquila na hidroxíla de um álcool alifático ou fenol. Os principais compostos obtidos são éteres alifáticos ou fenólicos: Éteres alifáticos são obtidos pela ação de H2SO4 e álcool, tendo como agente alquilante olefinas e haletos de alquila. Os fenólicos são obtidos pela reação de fenóxidos de sódio com olefinas, haletos de alquila, sulfatos de alquila ou dialquilas Ligação de um grupo alquila a um carbono: Compostos com esta ligação consideram-se formados por substituição de hidrogênio por um grupo alquila ou adição de um grupo alquila. Dentro de todos os processos de alquilação aqui estudados, a C-alquilação é a que possui maior aplicabilidade industrial. 4- Características das reações de alquilação: Alquilações industriais são, na maioria das vezes, do tipo ácido catalisada (Friedel-Crafts), portanto somente estes processos serão considerados. Processos parcialmente reversíveis, o equilíbrio nas reações de alquilação, muitas vezes são difíceis de se precisar. Proporções de reagentes em excesso e determinação do ponto onde a separação dos produtos é desejável são dados que muitas vezes são difíceis de se determinarem. Problemas relacionados com a formação de sub-produtos através de reações paralelas, fatores determinantes para obter bons rendimentos, também são encontrados Concentração de reagentes: Geralmente empregam-se excessos de reagentes na alquilação. Sempre, quando possível, um dos reagentes deve atuar como solvente (processo de solvólise), a etapa de recuperação e/ou separação dos produtos formados é simplificada pela ausência de compostos estranhos à reação Catalisadores: Embora alquilações geralmente ocorrem através de fornecimento de energia, a maioria dos processos industriais é conduzida utilizando catalisadores ácidos, básicos ou compostos orgânico metálicos. Este procedimento faz com que a reação obtenha uma velocidade tal que resulte sua aplicabilidade industrial. Agem através do aumento da nucleofilicidade do substrato (catálise básica) ou no incremento do caráter eletrofílico do reagente (catálise ácida). Nas catálises ácidas, os conhecidos catalisadores de Friedel-Crafts, tais como AlCl3, BF 3, BCl 3, BBr 3, BeCl 2, CdCl 2, ZnCl 2, GaCl 3, GaBr 3, FeCl 3, SbCl 3, BiCl 3, TiCl 4, ZrCl 4, SnCl 4, UCl 4 e SbCl 5 são mais utilizados. Estes atuam como ácidos de Lewis. Alguns ácidos minerais como H2SO4, HCl, H3PO4 são utilizados isolados, atuando como ácido de Bronsted, ou em conjunto com catalisadores de Friedel- Crafts.

5 Em catálise básica, também utilizada na C-alquilação, bases como alcóxidos, amidetos e hidreto de sódio ou até mesmo sódio metálico em amônia ou suportado em alumina possuem aplicações. Bases mais fracas como MgO e ZrO2, suportados em materais porosos (alumina e zeólitas) também possuem grande aplicabilidade em processos industriais. Compostos orgânicos metálicos baseados em derivados de metais de transição, tais como: (CH3)2TiCl2, NiL2, PdL4 onde L é (C6H5)3P são muito utilizados em processos de C e O-alquilação para derivados aromáticos na obtenção de produtos régio e estéreo seletivos. Também são utilizadas resinas de troca iônica do tipo catiônica tais como Amberlite IR112, Dowex 50, Nafion-Sílica, Deloxan, entre outras. Estas resinas atuam como ácido de Bronsted da mesma maneira que os ácidos minerais quando utilizados isoladamente Temperatura: Reações de alquilações são, na maioria dos casos, exotérmicas, mas por outro lado necessitam de fornecimento de energia para que aconteçam Pressão: Em quase todas as alquilações diminui-se o número de mols durante a reação, a pressão favorece a alquilação. Em alguns casos usa-se pressão para manter os reagentes em fase líquida, principalmente quando trabalha-se com agentes de alquilação de baixo peso molecular. 5- Principais processos industriais empregados no Brasil: No Brasil utiliza-se de processos de alquilação para produção de diversos derivados de aromáticos. Cumeno, dodecilbenzeno, etilbenzeno, nonilfenol entre outros são obtidos por processos de alquilação do benzeno. A Unipar Química Ltda, produtor de cumeno (isopropilbenzeno), utiliza o processo de alquilação catalisada entre benzeno e propeno. H 3 C CH CH 3 + H 3 C CH CH 2 Os procedimentos básicos partem de uma mistura propeno/propano na proporção de 1:1, que é enviada a um reator de leito catalítico juntamente com o benzeno, a temperatura de 180 O C O C e pressão de 40 atm. O efluente do reator é enviado a um despropanizador, onde o propano é separado e recirculado. O excesso de benzeno é recuperado por retificação e o cumeno purificado (Patentes: Badger, I.F.P, Union Carbide e UOP). Capacidade Instalada Cumeno Empresa Localização Capacidade Instalada (t/a) Unipar Mauá (SP) Derivados alquilbenzeno, importantes para a industria de detergência e tensoativos, são obtidos a partir da alquilação do benzeno com olefinas

6 parcialmente polimerizadas, principalmente aquelas obtidas a partir do propeno, tais como trímero do propeno (noneno), tetrâmero do propeno (dodecano), entre outros. Geralmente utiliza-se o AlCl3 como catalisador. Também são econtradas rotas industriais que empregam compostos monoclorados entre C12 - C14 em substituição as olefinas utilizando catalisadores do tipo Friedel-Crafts. C 12 H 25 Quando utiliza propeno e derivados polimerizados, a alquilação é realizada em reator com agitação contínua com temperatura que variam entre 35 O C e 70 O C, dependendo do agente de alquilação e catalisador AlCl3. O efluente do reator é submetido a três destilações sucessivas, sendo a primeira a pressão atmosférica, onde o benzeno não reagido é recuperado. Na segunda coluna há separação dos hidrocarbonetos mais leves e na terceira, o alquilbenzeno é separado dos produtos pesados e posteriormente purificado. Quando a alquilação é feita com frações monocloradas de querosene (C12 - C14), a temperatura no reator é mantida entre 38 O C e 49 O C, até próximo o final da operação sendo então elevada para 170 O C. Após a deposição do catalisador (AlCl3) o efluente é submetido a destilação, prosseguindo como no procedimento anterior. A alquilação também pode ser realizada em presença de H2SO4 ou HF (Patentes: Allied Chem., American Cyanamid, Monsanto, Union Carbide, Colgate-Palmolive, Hoechst, BASF, ESSO, Atlantic). Capacidade Instalada Dodecilbenzeno (DDB) Empresa Localização Capacidade Instalada (t/a) Denar Química S/A São C. do Sul (SP) A alquilação do fenol com noneno empregado, por exemplo, pelas empresas Clariant e Oxiteno, para fabricação do nonilfenol, importante matéria prima na preparação de detergentes e tensoativos utiliza processo clássico de condensação de Friedel Crafts. OH C 12 H 25 + ou C 12 H 24 Cl OH + C 9 H 18 C 9 H 19 Consiste na reação levemente exotérmica, em fase líquida, à pressão atmosférica, temperatura variando entre 70 O C e 100 O C e empregando resina de troca-iônica catiônica como catalisador. Produto da reação é filtrado e transferido para um tanque, antes de seguir para fase de separação de produto alquilado, reagentes e subprodutos. Esta fase é efetuada continuamente em duas colunas de retificação operando à vácuo, recuperando no topo da primeira coluna o fenol por condensação e produto alquilado na segunda coluna. Capacidade Instalada Nonilfenol Empresa Localização Capacidade Instalada (t/a) Clariant S/A Duque de Caxias (RJ) Oxiteno S/A Mauá (SP)

7 Bisfenol A, obtido pela reação de fenol e acetona em presença de ácido clorídrico produzido entre outras empresas pela Rhodia S/A no país; matériaprima importante na obtenção de policarbonatos e resinas epóxi. OH O CH 3 + H 3 C C CH 3 HO C OH Acetona e excesso de fenol são misturados em reator vitrificado dotado de agitação. A mistura é saturada com ácido clorídrico, aquecida, reagindo praticamente toda a acetona. A mistura, saindo do reator, é alimentada para uma coluna de destilação, onde há a separação de uma solução aquosa de ácido clorídrico e fenol no topo da coluna e, na base, bisfenol-a e fenol. O produto de topo alimenta um decantador no qual se separa uma camada oleosa (fenol), que é reciclada, da camada aquosa, água e ácido clorídrico, separado e reutilizado no processo. A mistura, bisfenol-a e fenol, são separados por retificação, sendo o fenol reciclado. O bisfenol-a bruto, contendo produtos leves e pesados, como impurezas, é purificado em duas etapas por destilação fracionada. O bisfenol-a é misturado com um solvente (álcool), sob pressão, indo para um cristalizador onde ocorre a cristalização do produto, pode ser dissolvido novamente no solvente e recristalizado atingindo pureza elevada. Os cristais são centrifugados, secados e embalados (Patentes: Dow Chemical, Monsanto, Shell Chemical, Union Carbide). Capacidade Instalada Bisfenol A Empresa Localização Capacidade Instalada (t/a) Rhodia Brasil Ltda Paulínia (SP) Etilbenzeno, matéria-prima para obtenção do estireno, também é produzido através da alquilação de Friedel Crafts. A Companhia Brasileira de Estireno (CBE), Estireno do Nordeste S/A (EDN) e INNOVA Química S/A são os principais produtores no país. Capacidade Instalada Etilbenzeno Empresa Localização Capacidade Instalada (t/a) CBE Cubatão (SP) EDN Camaçari (Ba) INNOVA Triunfo (RS) Processos de alquilação são realizados, em muitos casos, em batelada. Equipamentos como tanques, reatores e tubulações são de aço inoxidável para evitar corrosão provocada pela ação do oxigênio livre. Também podem ser do tipo vitrificado, quando a ação corrosiva é muito intensa. Necessitam de sistema de aquecimento e refrigeração eficientes. Como a pressão favorece a alquilação, os reatores empregados são, na maioria dos casos do tipo autoclave, também são utilizadas torres de alquilação. Para a recuperação e purificação do produto alquilado utilizam-se de colunas de destilação, retificação e fracionamento. CH 3

8 Instalação para obtenção de etilbenzeno Processo Contínuo +H 2 C CH 2 (BF 3 ) AlCl 3 H 3 CCOCl H 2 C CH 3 + HCl

9 - Descrição do processo: - Coluna de alquilação é encamisada c/ água; - Topo: benzeno seco em excesso e AlCl3 ou BF3; - Fundo: etileno e cloreto de etila em pequenas porções (atua como promotor); - Reação ocorre lentamente a aproximadamente 95 o C; - Produtos da coluna, bruto, e complexo de AlCl3 ou BF3 são resfriados à 40 o C e enviados ao primeiro depósito. O AlCl3 sedimenta e é bombeado para o reator de desalquilação ou reciclado para a coluna de alquilação; - Os produtos são levados a decantar em segundo depósito e depois para um lavador alcalino onde é tratado com solução de soda cáustica a 50% e colocado a sedimentar novamente; - Primeira Coluna: coluna de destilação de pratos aquecida com vapor d água: - Topo (135 o C): alquilados e benzeno enviados vaporizados para a segunda coluna; - Fundo (200 o C): alquilados com alto peso molecular (poli alquilados) enviados para a caldeira de poli etil benzeno ; - Segunda coluna: coluna de retificação de pratos para benzeno: - Topo (81 o C): benzeno em excesso recuperado, enviado ao depósito de benzeno úmido e retornando ao processo; - Fundo (148 o C): formado por etil benzeno e outras substãncias com ponto de ebulição superiores enviados vaporizados para a terceira coluna; - Terceira coluna: coluna de retificação de pratos para etil benzeno (aproximadamente 58) e trabalha com uma relação de refluxo em 3:1: - Topo (138 o C): etil benzeno é resfriado para 40 o C e enviado para lavador alcalino com solução de soda cáustica a 20% e seco ao passar por um leito de soda cáustica. O rendimento total do processo em relação ao benzeno é de aproximadamente 95%, com pureza do etil benzeno chegando a 99%; - A caldeira de polietil benzeno, do tipo coluna de pratos (10), trabalha a 135 O C e 50 mmhg de pressão absoluta. Os produtos, topo da caldeira e de fundo da terceira coluna, são misturados, resfriados a 40 O C e utilizados como absorvente no sistema de recuperação de gases instalado no topo da coluna de alquilação; - No desalquilador, ocorre processo de desalquilação dos compostos poli alquilados. É utilizado o produto de fundo (200 O C) da caldeira de poli etil benzeno, que sofre a ação do AlCl3 a 200 O C e se decompõe em benzeno, etil benzeno e dietil benzeno. Estes são destilados e enviados ao primeiro depósito. O produto de fundo é um resíduo polialquilado contendo AlCl3 que é descartado.

10 Instalação para obtenção de Metil-terc-butil éter Processo Contínuo H 3 C CH 3 RTI ácida C CH 2 + H3 C OH H 3 C C O CH 3 CH 3 CH 3 Legenda: a- Reator tubular; b- Primeiro reator adiabático; c- Primeira coluna de destilação (Fração C 4); d- Segundo reator adiabático; e- Segunda coluna de destilação (Fração C 4); f e g- Colunas de retificação de metanol

11 - Descrição do processo: - Reação catalisada por resina tocadora de íon ácida macroporosa entre isobuteno e excesso de metanol na faixa de temperatura entre 50 e 90 O C; - Reagentes, metanol e fração C4 do refino de petróleo, são colocados no reator tubular (a) em fase líquida entre 10 e 15 atm; a obtenção do metil-terc-butil éter (MTBE) é parcial, sendo enviado imediatamente para o primeiro reator adiabático (b) onde a reação é finalizada; - A mistura, saindo do reator, é enviada para uma primeira coluna de destilação (c) onde o MTBE, com elevada pureza (>98%),.é produto de fundo da coluna; - O produto de topo, excesso de metanol e fração C4 não reagido, são enviados para um segundo reator adiabático (d), se necessário é colocado excedente de metanol; - Após, o produto é enviado para a segunda coluna de destilação (e) onde, o produto de fundo, contendo uma pequena concentração de MTBE é enviado de volta para o reator tubular (a); - Extraído pelo topo, excesso de metanol e fração C4 são enviados para as colunas de recuperação de metanol (f e g). Na primeira coluna é extraída pelo topo uma mistura de líquidos,chamado Refinado 2, contendo alta concentração de compostos da fração C4 exceto isobuteno; - Pelo fundo mistura aquosa de metanol, enviado para Segunda coluna onde é recuperado o metanol. - O processo possui rendimento total entre 85 e 95% em relação a concentração inicial de isobuteno na fração C4.

12 Instalação para obtenção de éteres vinílicos (Pressão normal) Processo em batelada KOH HC CH + R OH H 2 C CH O R (R=C 1 a C 5 ) Legenda: a- Tanque misturador; b- Coluna de alquilação; c- Condensador; d- Bomba de recirculação de acetileno; e- Separador orgânico; f Colunas de retificação do éter vinílico.

13 - Descrição do processo: - Álcool é tratado no tanque misturador (a), sob agitação, com solução aquosa de hidróxido de potássio (2-3%); - A carga é transferida para a coluna de alquilação (b), encamisada e do tipo de recheio com anel de Rachig. Em contracorrente é injetado acetileno e faz a recirculação deste, até o consumo aproximar de 90% do volume inicial de acetileno. A temperatura de reação varia entre 120ºC e 180ºC, depende do álcool utilizado. A reação é exotérmica, o calor gerado é retirado através da camisa e do condensador (c) no topo da coluna; - Após o término da reação, é injetado nitrogênio na coluna, acetileno residual é retirado e éter vinílico bruto é enviado para o separador orgânico (e) onde a fase aquosa e retirada; - Após, o éter vinílico é purificado na coluna de retificação (f) sob destilação à vácuo (6ºC a 90ºC) e inibidor de polimerização.